Поверхности углеродом

Следует отметить, что окисленные волокна адсорбируют вдвое больше синего метилена, чем желтого метанила. Катионный синий метилен несет положительный заряд и содержит три основные аминогруппы, которые должны притягиваться кислотными группами на поверхности углерода. Желтый метанил как кислотный анион в растворе должен притягиваться к основным группам на поверхности углеродного волокна. Поэтому ингибирование адсорбции анионного красителя может быть результатом увеличения количества отрицательно заряженных групп на поверхности волокна. Различие в степени адсорбции поверхностью волокна кати-онного красителя СМ и анионного красителя Ж'М может служить мерой количества образующихся анионных групп на поверхности графита.

1. Характеристики поверхности волокна. Согласно существующим данным, размер (диаметр) кристаллита на поверхности углеродного наполнителя определяется степенью молекулярного взаимодействия на поверхности раздела волокно — смола. Результаты

Нам не представляется возможным автоматически переносить результаты взаимодействия металлов с углеграфитовыми материалами на углеродные волокна из-за специфичности структуры последних: мелкие кристаллиты, в которых базисные плоскости вдоль границы волокна разделены узкими порами (параллельно оси волокна) и границами наклона, или кручения (перпендикулярно ей). При указанной структуре прочность волокна должна определяться прочностью границ кристаллитов и быть чувствительной к любым изменениям их состояния. Наличие металла на поверхности углеродного волокна может влиять на состояние и свойства волокон, так как при этом возможно протекание таких процессов, как химическое взаимодействие, диффузия, частичное и, в предельном случае, полное растворение волокна. Таким образом, изучение влияния покрытия на свойства углеродного волокна необходимо для того, чтобы знать, насколько покрытие может ухудшать характеристики как армирующего компонента, так и композиционного материала в целом.

Для изучения особенностей формирования покрытия была сделана попытка зафиксировать начальный момент зарождения центров кристаллизации меди. На рис. 2 (см. вклейку) на боковой поверхности углеродного волокна видны многочисленные очаги центров зародышей меди. «Дискообразные» по форме зародыши имеют размер около 1000 А в первый момент их образования. При увеличении времени осаждения происходит слияние близко расположенных центров роста и формирование сплошного покрытия путем радиального развития растущих зародышей. В ряде мест наблюдаются отдельные области, где первоначальные центры зарождения объединены в сплошное покрытие.

Рис. 1.9. Схематическое изображение внутренней структуры ПАН волокон: а — изотропный центр и ориентированный поверхностный слой; б — разная ориентация центра и поверхностных слоев; в — один тип преимущественной ориентации; г — фотография рабочей поверхности углеродного волокна типа ВУЛОН

В процессе сенсибилизации ионы двухвалентного олова, находясь в гидролизованном состоянии, прочно удерживаются на поверхности углеродного волокна, обладающего высокими сорбцион-ными свойствами. В процессе активации хлористый палладий восстанавливается до металлического состояния соединениями олова, которые образуются при сенсибилизации и последующей промывке волокон водой в результате гидролиза. Активированную поверхность волокна высушивают при температуре 60—70 °С в течение 15—20 мин.

Наряду с перестройкой поверхности углеродного волокна происходит и ее разрушение (удаление слабо связанных кристаллитов) под действием ионной бомбардировки и пондеромоторных нагрузок.

Рис. 3.2. Фотография рабочей поверхности углеродного волокна до (а) и после (б) работы. Диаметр волокна около 7 мм

Типичные фотографии рабочей поверхности углеродного волокна до и после работы, сделанные в растровом электронном микроскопе, показаны на рис. 3.2.

Адсорбция остаточных газов на поверхности углеродного волокна обусловливается так называемыми дисперсионными силами.

Углеродные материалы представляют собой чрезвычайно сложный объект с точки зрения получения и интерпретации автоионных изображений. В отличие от металлических образцов, где, как правило, на поверхность заостренного образца выходит определенная грань монокристалла и атомарные слои на изображении проявляются в виде системы кольцевых образований, соответствующих кристаллографическим плоскостям, поверхность углерода не имеет монокристаллического характера. Более того, зачастую даже на подвергнутой специальному заострению поверхности углеродного волокна диаметром несколько десятых микрометра, присутствует большое количество

Металлографический контроль определяет и устанавливает степень нагрева деталей (перегрев, недогрев), определяет степень насыщения поверхности углеродом, азотом и другими элементами, устанавливает степень охлаждения и полноту выполнения заданных процессов (например, если не был дан высокотемпературный отпуск, то в структуре будет установлен нераспавшийся мартенсит или наличие избыточного аустенита), указывает на отсутствие выдержки после цементации для снижения закалочной температуры и т. д.

Изделия цементуемые (насыщенные с поверхности углеродом) и инструменты (с целью сохранения высокой твёрдости), а также магнитные стали отпускаются при температуре не выше 200—250° С.

В зубчатых колёсах, имеющих посадку по наружному диаметру шлица, шлифования отверстия с базированием по начальному диаметру зуба не делают. Калибровку шлицев производят сразу после термообработки при соответствующей твёрдости отверстия, которое защищают от насыщения поверхности углеродом при цементации.

8. Химико-термическая обработка, при которой изменяются химический состав, структура и свойства поверхностного слоя. Как и поверхностная закалка, производится для придания поверхностному слою высокой твердости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины. Основные виды химико-термической обработки следующие: а) цементация, заключающаяся в насыщении углеродом поверхности детали, изготовленной из малоуглеродистой стали, последующих закалке и отпуске; б) азотирование, при котором поверхность детали насыщается азотом, образующим химические соединения (нитриды) с железом, хромом, молибденом, алюминием и другими элементами. Процесс эффективен при азотировании легированной стали, имеющей указанные примеси, например стали 38ХМЮА; в) цианирование — одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом.

Оптимальное сочетание прочности и износостойкости упрочненных слоев, а также прочности и вязкости сердцевины имеют цементуемые стали с С = 0,10 •*- 0,25 % (табл. 7.1). После насыщения поверхности углеродом или одновременно углеродом и азотом детали подвергают закалке и низкому отпуску. Упрочненный слой должен иметь толщину не менее 0,5-0,6 мм. Толщиной слоя принято считать сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоид-ной и переходной зон. Несущая способность детали определяется эффективной толщиной слоя, в которой С > 0,4 %. На внутренней границе этой зоны твердость равна 50 НКСЭ, а на поверхности детали твердость должна быть равна 56—63 ННСЭ. Для того чтобы в упрочненном слое распределение углерода по толщине было равномерным, используют диффузионное выравнивание. Оптимальная структура упрочненного слоя представляет собой мар-тенситную матрицу с содержащимися в ней карбидами и остаточным аустенитом. Карбиды располагаются в виде мелких округлых частиц в заэвтектоидной зоне слоя на глубине 0,1-0,25 мм от поверхности. Эти карбиды увеличивают сопротивление деталей изнашиванию. Остаточный аустенит ускоряет приработку зубчатых пар, а в деталях под нагрузкой способствует релаксации напряжений, снижая их максимум. В этом отношении особенно эффективен азотистый аустенит, получаемый при нитроце-ментации. Допустимое количество остаточного аустенита определяется условиями эксплуатации деталей: при 10-15 % он не сказывается существенно на долговечности зубчатых колес, при количестве около 40 % — снижает контактную выносливость тяжел онагруженных зубчатых колес.

чистой поверхности, которую получают непосредственно в вакуумной камере, при разрушении образца, высокотемпературном нагреве, ионной, бомбардировке с последующим отжигом. Сверхвысокий вакуум необходим для получения и анализа свежеприготовленной поверхности, особенно при проведении комплексного исследования. Важно подчеркнуть, что сверхвысокий вакуум создают безмасляными средствами откачки во избежание загрязнения исследуемой поверхности углеродом. Обычно применяют турбомолекулярные насосы или комбинации турбомолекулярных, магнитных, электроразрядных н титановых испарительных насосов.

3. Возможно насыщение поверхности углеродом в результате разложения смазочного материала при высокой температуре.

Подобная химико-термическая обработка может включать в себя как насыщение только одним элементом, например, насыщение поверхности детали хромом — хромирование, насыщение алюминием — алитирование, так и насыщение группой металлов — хромоалитирование (одновременное насыщение хромом и алюминием), одновременное насыщение поверхности детали металлами и неметаллами — карбохромирование (насыщение поверхности углеродом и хромом). Совместное насыщение поверхности детали рядом элементов может проводиться как одновременно, так и последовательно.

Cyaniding — Цианирование. Процесс химико-термической обработки, при котором металл нагревается выше нижнего порога температуры превращения в расплаве соли, содержащей цианистый калий, чтобы вызвать одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом путем диффузии, благодаря градиенту концентраций.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей — цементуемые (нитроцементуемые) детали (зубчатые колеса, кулачки и т.п.), работающие в условиях трения. После насыщения поверхности углеродом, закалки и низкого отпуска низкоуглеродистые стали наряду с твердой поверхностью (58- 63 HRC) имеют достаточно прочную и вязкую сердцевину, устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок. Работоспособность цементованных деталей зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины. При одних и тех же свойствах цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения предела текучести и твердости сердцевины. При недостаточном уровне этих свойств под цементованным слоем происходит пластическая деформация, которая вызывает его преждевременное разрушение.

Технология цементации. Насыщение поверхности углеродом ранее повсеместно проводилось в твердом карбюризаторе (см. табл. 3).